2025年大學《化學》專業(yè)題庫——分子設計與化學反應動態(tài)學考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分）1.下列哪個原理不是分子設計過程中通常會依據(jù)的基本原則？A.結構-性質關系B.定量構效關系（QSAR）C.熱力學穩(wěn)定性最大化D.隨機組合與篩選2.在分子設計中，計算化學方法的主要優(yōu)勢之一是能夠？A.直接合成任意目標分子B.提供實驗上難以獲得的反應機理信息C.自動完成實驗操作過程D.完全替代實驗驗證3.密度泛函理論（DFT）在分子設計中最常用于？A.預測分子的宏觀熱力學性質B.模擬分子的量子隧道效應C.計算反應路徑上的過渡態(tài)能量D.精確預測分子的光譜吸收峰位4.化學反應動態(tài)學研究的主要目標是？A.確定反應的平衡常數(shù)B.測定反應的速率常數(shù)C.揭示反應發(fā)生的微觀過程和機理D.優(yōu)化反應條件以提高產(chǎn)率5.過渡態(tài)理論（TST）的核心思想是假設反應物轉化為產(chǎn)物必須經(jīng)過一個特定的、能量最高的過渡態(tài)結構，這個過渡態(tài)？A.具有確定的反應物結構B.具有確定的產(chǎn)物結構C.是反應坐標上的一個穩(wěn)定駐點D.其能量低于任何反應物和產(chǎn)物6.激光誘導熒光（LIF）技術用于反應動態(tài)學研究時，主要利用了？A.反應物和產(chǎn)物分子不同的振動能級B.反應物和產(chǎn)物分子不同的自旋狀態(tài)C.反應過程中分子電子態(tài)的變化D.分子間的碰撞能量傳遞7.在反應坐標上，過渡態(tài)與反應物之間能量最高的點被稱為？A.勢壘頂點B.能壘底部C.熱力學駐點D.動力學穩(wěn)定點8.交叉分子束（CRM）實驗技術的主要優(yōu)勢在于能夠？A.直接測量反應速率常數(shù)B.高分辨率地探測反應中間體C.精確測量反應閾能D.研究溶液相反應的動態(tài)過程9.分子模擬中，選擇合適的力場對于獲得準確結果至關重要，這是因為？A.力場決定了模擬軟件的類型B.力場包含了分子間相互作用的參數(shù)化信息C.力場直接影響模擬的運行速度D.不同的力場適用于不同的分子體系10.下列哪個現(xiàn)象直接體現(xiàn)了分子間非絕熱效應在化學反應動態(tài)學中的重要性？A.雙原子分子的解離能B.簡單碰撞反應的能量守恒C.富里葉紅外光譜的振動峰D.多原子分子在光解反應中形成振動激發(fā)態(tài)產(chǎn)物二、填空題（每空2分，共20分）1.分子設計通常涉及對分子的______、______和______進行優(yōu)化，以實現(xiàn)特定的功能目標。2.計算化學方法在分子設計中可以用于預測分子的______、______等性質，并模擬反應的______。3.根據(jù)過渡態(tài)理論，反應速率正比于反應物濃度與過渡態(tài)上反應坐標坐標的______之積。4.化學反應動態(tài)學研究中，區(qū)分反應物和產(chǎn)物通常依據(jù)它們的______差異。5.分子動力學（MD）模擬可以用來研究體系在______下的行為，例如分子的構象分布和運動軌跡。6.勢能面是描述體系中所有原子位置時，體系的______隨反應坐標變化的圖形表示。三、簡答題（每題10分，共30分）1.簡述分子設計中計算化學方法的基本流程，并說明其在設計過程中的作用。2.解釋什么是過渡態(tài)？為什么過渡態(tài)的能量對于理解反應速率至關重要？3.簡要說明激光誘導熒光（LIF）技術的基本原理，并列舉其在研究簡單氣相反應動態(tài)學時可以提供的信息。四、計算題（共20分）假設有一個基元雙分子反應A+B→P，實驗測得該反應的速率常數(shù)k=5.0×10^-10cm^3/mol·s?，F(xiàn)設計一個實驗，使用激光脈沖產(chǎn)生A和B分子束，使它們的相對速度為3000m/s，反應容器直徑為1.0mm。請估算該條件下，A和B分子碰撞一次所需的時間尺度（以飛秒為單位）。假設A和B的直徑之和約為3.0?。五、論述題（共30分）以一個你熟悉的具體例子（如設計一個簡單的催化分子，或研究一個具體的氣相反應，如CH?+Cl?→CH?Cl+Cl），結合分子設計的原則和化學反應動態(tài)學的知識，論述如何從分子的結構/性質角度預測或理解其反應性能（如催化活性、反應選擇性、反應機理等）。要求說明涉及的關鍵概念和方法。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.C5.C6.C7.A8.D9.B10.D二、填空題1.結構，性質，功能2.物理化學，熱力學，反應路徑3.活度（或配分函數(shù)的比值，取決于具體表述）4.能量（或光譜特征）5.平衡（或等溫等壓）6.能量三、簡答題1.解析思路：計算化學分子設計流程通常包括：目標設定（明確所需分子性質/功能）、結構設計與生成（基于理論或經(jīng)驗構建分子骨架）、理論計算（選擇方法如DFT、MP2等，進行能量、幾何、性質計算）、結果分析（評估計算得到的性質與目標差距，分析結構-性質關系）、迭代優(yōu)化（根據(jù)分析結果修改分子結構，重復計算和分析）。其作用在于提供實驗難以獲取的原子/分子尺度信息，如精確的能量差異、反應路徑、電子結構、光譜性質等，從而指導實驗合成方向，提高設計效率。2.解析思路：過渡態(tài)是指反應坐標上能量最高的點，它是一個虛擬的、不穩(wěn)定的瞬間結構，連接著反應物和產(chǎn)物。根據(jù)過渡態(tài)理論，反應速率由反應物分子克服到達過渡態(tài)的能量勢壘（即活化能）來決定?；罨茉礁撸_到過渡態(tài)的分子越少，反應速率越慢。因此，確定過渡態(tài)的結構和能量對于計算活化能、理解反應速率快慢以及推斷反應機理至關重要。3.解析思路：LIF原理：利用特定波長的激光誘導待研究分子（通常是產(chǎn)物）從基態(tài)振動能級躍遷到某個較高的振動能級，然后該高振動能級分子通過無輻射躍遷或自發(fā)輻射回到基態(tài)的某個振動能級，發(fā)射出光子。探測器測量發(fā)射光子的波長和強度。信息：通過測量發(fā)射光譜的波長可以確定產(chǎn)物分子的振動能級，從而推知反應釋放或吸收的能量、反應的絕熱功；通過測量發(fā)射光強度可以與產(chǎn)物濃度相關，結合時間分辨測量可研究產(chǎn)物形成和后續(xù)過程（如異構化）的動力學。四、計算題解析思路：估算碰撞時間需要知道分子間平均自由程和碰撞頻率。平均自由程l=1/(√2*π*σ^2*N_A*n)，其中σ是分子直徑，n是分子數(shù)密度。碰撞頻率f=π*σ^2*v_rel*n?？偱鲎矔r間dt≈1/f。聯(lián)立可得dt≈1/(π*σ^2*v_rel*n)。將n=P/(R*T)代入，其中P=1atm=1.01325×10^5Pa,R=8.314J/(mol·K),T可假設為室溫300K。計算得到n。再代入σ=3.0?=3.0×10^-10m,v_rel=3000m/s,N_A=6.022×10^23mol^-1進行計算。dt≈1/(π*(3.0×10^-10)^2*3000*(1.01325×10^5/(8.314*300)*6.022×10^23))≈1/(π*9.0×10^-20*3000*2.463×10^25)≈1/(2.42×10^-13*2.463×10^25)≈1/(5.95×10^12)≈1.68×10^-13s=0.168ps≈168fs（注意：此為估算值，具體數(shù)值可能因假設和參數(shù)選擇略有差異）五、論述題解析思路：論述題需結合具體實例，展現(xiàn)對分子設計與反應動態(tài)學知識的綜合應用能力。應包含以下要素：1.實例選擇：選擇一個清晰、具體的例子，如設計一個具有特定催化活性的金屬配合物（說明設計思路：如何選擇金屬中心、配體及其配位模式以影響電子結構和吸附能），或研究CH?+Cl?→CH?Cl+Cl反應（說明設計/理解思路：如何通過分析反應物、過渡態(tài)、產(chǎn)物的結構，結合光譜數(shù)據(jù)，推斷反應機理（如是否存在自由基中間體、過渡態(tài)的幾何構型），或如何通過改變反應物結構（如使用同位素）來影響反應速率或選擇性）。2.分子設計原則應用：闡述如何運用結構-性質關系、量子化學計算等工具進行設計或分析。例如，設計催化劑時，如何通過計算吸附能、催化循環(huán)能壘來評估和優(yōu)化催化劑；設計敏感分子時，如何預測其光譜特性。3.反應動態(tài)學知識應用：闡述如何運用過渡態(tài)理論、反應機理、光譜學、動力學實驗等知識來理解反應性能。例如，分析CH?+Cl?反應時，如何